【学术聚焦】化工学院万骏在《Chem. Eng. J.》上发表亚稳态二维非晶Nb2O5的研究

近日，武汉纺织大学化学与化工学院、省部共建纺织新材料与先进加工技术国家重点实验室徐卫林院士团队的万骏教授，与姜会钰教授、中国科学院深圳先进技术研究院金桓宇研究员合作，在Chemical Engineering Journal上发表了题为“Metastable 2D amorphous Nb₂O₅ for aqueous supercapacitor energy storage”的论文。武汉纺织大学为第一单位。研究生房光钰、米世云为共同第一作者。

该文章提出了一种用于简便合成亚稳定二维非晶Nb₂O₅的结构限域生长技术。在乙醇溶剂中引入HMTA，其中含有丰富的孤对电子氮原子，有助于与铌离子发生强烈相互作用，从而促进其在石墨烯界面的二维封端生长。这种独特的二维非晶界面结构不仅充分利用了二维构型固有的优点（如较高的表面积、增强的平面电子迁移率、增加的离子传输速率），还具有非晶结构固有的良好离子传输通道和结构稳定性。制备的电极表现出优异的比容量性能（在1 mV s^-1下的比电容高达243 F g^-1），以及鲜有报道的长周期循环稳定性（20万次循环后容量保持率为94.1%）。

【本文研究背景】

Nb₂O₅由于其优异的理论电容量和优越的速率性能，被认为是一种非常有前景的储能阳极材料。尽管Nb₂O₅具有优异的比容量，但其有限的电导率和相对受限的适用性严重阻碍了进一步的发展，特别是其电化学循环寿命。一般来说，对于电子迁移率与离子传输速率这种双向平衡可以通过合理的尺寸设计来解决。特别是在低维结构内，亚稳态的二维材料具有较高的比表面积、丰富的氧化还原位点、高表面能、优异的平面电子迁移率和出色的离子传输通道。

然而，迄今为止，亚稳态及二维Nb₂O₅的合成策略鲜有报道。这一瓶颈主要归因于两个关键因素：（1）常见的铌前驱体极易水解，使得生长和演变过程难以控制（Nb⁵⁺+5H₂O→Nb(OH)₅+5H⁺）；（2）与许多其它过渡金属氧化物不同，Nb₂O₅在形成过程中会迅速转变为热力学稳定的铌酸（Nb₂O₅·nH₂O）（Nb₂O₅+nH₂O→Nb₂O₅·nH₂O），它的酸强度（H₀≤ -5.6）相当于70%的硫酸，从而显著影响了反应环境的pH值。此外，诸如正交相Nb₂O₅等广泛研究的Nb₂O₅晶体通常需要在高反应温度（约650°C）下合成。即使成功合成了二维纳米片，它们也极易在热力学演化的驱动下发生团聚。相比之下，能在更低温度（100-200℃）下合成的亚稳态无定形Nb₂O₅更适合与二维结构匹配，从而有望实现长循环寿命的Nb₂O₅水系电极设计。

【本文要点】

要点一：亚稳定二维非晶Nb₂O₅复合结构的构建

HMTA分子中的氮原子与Nb⁵⁺阳离子之间发生强烈的相互作用，促进了HMTA和Nb离子的优先吸附，有助于Nb金属前驱体在GO表面成核和生长。同时，HMTA通过热分解产生氨和甲醛进行还原反应，得到分散性良好的2D a-Nb₂O₅/rGO复合材料。其中，pH值、温度和Nb⁵⁺与HMTA的浓度比为重要影响因素。

图1. 亚稳定二维非晶Nb₂O₅的新型制备。

要点二：二维非晶结构的验证

对该复合材料进行全面的形貌表征显示，Nb元素均匀分布于超薄二维结构中。为避免石墨烯对二维非晶Nb₂O₅结构的影响，我们在空气中进行了简单适当的退火处理，转化为对应的结晶相Nb₂O₅。通过TEM图片可清晰观察到其仍保持良好的二维结构。同时，元素分布显示结构中不再存在碳元素，进一步证实该二维晶体结构为纯的Nb₂O₅，从而反向验证了退火前Nb₂O₅的二维非晶结构。

图2. 二维非晶结构的验证实验。

要点三：长循环寿命水系超容性能测评

亚稳态非晶结构将为锂离子在电荷存储循环中提供足够的自由体积，减少离子反应过程中的体积变化，从而保证电极材料结构的稳定性。此外，二维纳米片的非晶结构通过开放的扩散路径形成可渗透通道，从而有效地促进离子扩散。这种与导电良好的还原氧化石墨烯网络紧密结合的多种独特结构，也为锂离子提供了更大的接触表面积和更短的扩散路径。

图3. 电化学性能数据。

【文章链接】

Metastable 2D amorphous Nb₂O₅ for aqueous supercapacitor energy storage

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.150912

【团队相关进展】

该团队长期围绕新型微波策略展开研究，近期以武汉纺织大学为第一单位，还在Journal of Energy Chemistry上发表了题为“Microwave-assisted exploration of the electron configuration-dependent electrocatalytic urea oxidation activity of 2D porous NiCo₂O₄ spinel”的论文，吴植傲、房光钰为共同第一作者。在Journal of Materials Chemistry A上发表了题为“Microwave-pulse synthesis of tunable 2D porous nickel-enriched LaMn_xNi_1−xO₃ solid solution for efficient electrocatalytic urea oxidation”的论文，吴植傲、鲜靖林、代继澳为共同第一作者。在ChemSusChem上发表了题为“Advanced Microwave Strategies Facilitate Structural Engineering for Efficient Electrocatalysis”的论文，李青翔、房光钰、吴植傲为共同第一作者。在Microstructures上发表了题为“Leveraging novel microwave techniques for tailoring the microstructure of energy storage materials”的论文，尤咏菲、房光钰、樊淼为共同第一作者。

【作者简介】

万骏，武汉纺织大学特聘教授，化学与化工学院应用化学系副主任。湖北省楚天人才计划、武汉市青年朝阳计划。本、博及博士后毕业于华中科技大学。国家公派新加坡南洋理工大学访问学者。省部共建纺织新材料与先进加工技术国家重点实验室徐卫林院士团队骨干成员。长期从事清洁能源材料与功能纤维的研制，擅长微波新型合成与热管理纤维的研究。主持国家自然科学基金、省自然科学基金、省教育厅人才项目等10项。以第一及通讯作者身份在One Earth、Appl. Catal. B: Environ.、Adv. Funct. Mater.等学术期刊发表论文30余篇。新加坡Viser专家库材料专家委员会委员。湖北省化学化工先进青年工作者。